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MODELISATION D’UN PILOTE DE
TRANSESTERIFICATION POUR PRODUCTION DE BIODIESEL
N’TSOUPOE E., PABYAM-SIDO M., BLIN J., AZOUMAH Y.
Laboratoire Biomasse Energie et Biocarburants (LBEB) Institut International d'Ingénierie de l'Eau et de l'Environnement (2IE)
01 BP 594 Ouagadougou 01, Burkina Faso
Mots clés : Transestérification ; Biodiésel ; Modèles de Komers, Noureddini ; Cinétique chimique ; réaction de type méthylique, éthanolique, Biomasse.
I. INTRODUCTION
Les problèmes économiques, géopolitiques et environnementaux rendent de nos jours, l’accès aux carburants d’origine fossile de plus en plus difficile, en particulier pour les pays en voie de développement. L’étude et le développement des biocarburants issus de biomasses locales peuvent être une filière énergétique complémentaire ou de substitution et donc, constituer une bonne alternative.
Le Biodiésel, ester d’huile végétale produit à partir de biomasses, permet de part ses caractéristiques physico-chimiques proches de celles du diésel d’origine pétrolière, son utilisation sur les moteurs diésels, sans nécessité d’une modification majeure. Le faible degré de pollution, et la technique de fabrication facilement décentralisable des biocarburants incite à étudier et à optimiser leur technique d’élaboration et d’adaptation au contexte africain.
Le laboratoire Biomasse Energie Biocarburant du 2IE, en collaboration avec le Cirad, dispose d’un réacteur pilote de transestérification permettant la production et l’étude de la synthèse de biodiésel à partir de nos biomasses locales.
L’objectif de ce travail c’est d’abord, de présenter en croisant les modèles de Komers et Noureddini, une modélisation de la cinétique chimique du procédé de transestérification utilisant plusieurs types de biomasses issues du contexte local, dans le réacteur. Puis, de mettre au point, un programme devant permettre de simuler des expérimentations à partir de nouveaux réactifs et catalyseurs ; d’optimiser le fonctionnement du réacteur pilote, voire de prédire le comportement du système réactionnel en fonction des conditions opératoires. Ce qui permettrait de réduire le nombre et le coût des expérimentations, tout en ayant une bonne maîtrise de la synthèse et de l’utilisation des biodiésels issus de notre contexte local.
II. MODELE THEORIQUE DE LA TRANSESTERIFICATION
La transestérification est la technique classique de production de biodiesel. Il s'agit d'un procédé dans lequel les huiles végétales, les graisses animales ou les huiles à base de
2 microalgues sont mélangées à un alcool (généralement, éthanol ou méthanol) en présence d'un catalyseur (généralement, hydroxyde de sodium ou de potassium).
II.1 Equation chimique de la réaction de transestérification
Les huiles végétales sont essentiellement des triglycérides. Leur réaction avec l’alcool conduit à des esters alkyliques d’huiles végétales et au glycérol.
Triglycérides Alcool Ester alkylique glycérol
La transformation des huiles ou des graisses en esters éthyliques ou méthyliques permet de réduire la masse moléculaire à un tiers de celle de l'huile, de réduire la viscosité d'un facteur huit, de réduire la densité et d'augmenter la volatilité [1],[3]. Les propriétés physiques des esters éthyliques et méthyliques obtenus lors de la réaction de transestérification sont alors proches de celles du diesel.
II.2 Modèle de la cinétique de transestérification utilisé
La modélisation que nous utilisons pour étudier la transestérification dans notre réacteur est basée sur l’analyse et le croisement des modèles proposé par Noureddini [1] et celui de Komers [2],[3]. En effet, le modèle de Noureddini, plus courant, permet de prendre en compte l’intensité d’agitation lors de la réaction et permet de varier la température, mais ne tient pas compte de la saponification. Le modèle de Komers, plus complet, permet en plus, la prise en compte du type de catalyseur, mais tous les coefficients du modèle ne sont valables que pour une température de 22.75°C, alors que le milieu réactif peut-être porté jusqu’à une température de 85°C.
D’où la nécessité de proposer un modèle, qui permettrait de prendre en compte tous les éléments influents susceptibles d’intervenir dans la réaction. Ce qui assurerait une simulation plus complète et donc, une optimisation plus pertinente du phénomène de transestérification effectué dans notre réacteur. Le but de cette modélisation étant bien sûr, une fois validée, de transférer les résultats de notre optimisation, aux différents tests expérimentaux dans notre réacteur. Ce qui permettra de réduire le nombre et le coût des expérimentations, surtout lorsqu’on sait que 2.5l de méthanol coûte autour de 50000FCFA.
Le modèle que nous proposons permet de prendre en compte :
- L’énergie d’activation, d’où la possibilité d’une simulation à diverses températures ; - L’intensité d’agitation, d’où la possibilité d’une simulation à diverses températures ; - La possibilité de la prise en compte du type d’alcool (ROH) ou huile végétale (HV)
utilisée, ainsi que le ratio molaire ROH/HV ; - Etc.
On obtient alors un système de dix équations différentielles à coefficients paramétrés, représenté comme suit :
3 II.3 Résultats de la simulation numérique effectuée
Les résultats des simulations découlant de la modélisation effectuée en II.2, sont les suivants :
Influence de la température sur la réaction de transestérification
La figure ci-contre montre bien l’influence de la température sur la réaction de transestérification. Les meilleurs rendements sont obtenus pour une plage de température entre 50° et 90°C, avec un optimum autour de 60°C.
Ce qui correspond bien à la plupart des résultats expérimentaux trouvés dans la littérature [1], [5].
Figure 1 : influence de la température sur la réaction de transestérification
4 Influence de l’effet du ratio molaire ROH/HV sur la réaction de transestérification
La figure ci-contre montre l’impact du ratio molaire ROH/HV sur la réaction de transestérification. Trouver une valeur optimum de ce ratio permet de réduire les coûts de production, tout en améliorant la productivité.
La valeur optimale recommandée pour ce ratio, est de l’ordre de 6.
Figure 2: influence du ratio molaire n sur la réaction
Influence de l’effet du ratio molaire Catalyseur/Triglycéride sur la réaction de transestérification
La figure ci-contre montre l’impact du ratio molaire Catalyseur/Triglycéride sur la réaction de transestérification. La teneur en catalyseur est un facteur qui a un impact positif sur la vitesse de la réaction, alors que cet impact est négatif sur le rendement. Ceci est dû au fait que, plus il y a des bases, plus importante sera la saponification. Le rendement de la réaction augmente avec le ratio p, jusqu’à un optimum situé à environ p = 0.0785 (soit masse KOH = 0.5% de la masse HV) ; puis chute après cette valeur (à cause de la saponification).
Figure 3: influence du ratio molaire p sur la réaction
III. MODELE EXPERIMENTAL
Le pilote expérimental utilisé au LBEB, pour valider la modélisation et la simulation théorique développée en amont est le suivant :
L'appareil comporte: une cuve primaire où les HV sont portées à la température de réaction par des résistances ; un réservoir contenant une solution alcaline, par exemple d'hydroxyde de sodium ou de potassium, dissout dans un alcool, et relié à la cuve par des tubulures. Une pompe en ligne placée dans une boucle de tubulure permet de mélanger les glycérides au mélange de base forte et d'alcool. Un tube jauge transparent placé sur le côté de la cuve permet un examen visuel des phases. Après la transestérification, le fond de cuve qui contient du glycérol et d'autres résidus est évacué, puis, on procède au lavage et au séchage, permettant de récupérer le biodiésel.
Figure 4: photo du pilote de transestérification du LBEB
5 Protocole de synthèse du biodiésel avec le pilote
Le protocole comporte :
- une phase mélange et agitation du catalyseur et de l’alcool, en proportion conforme aux résultats proposés dans théorie développée (réservoir petite cuve sur la photo);
- une phase mélange et agitation de la solution obtenue avec le type d’huile végétale choisie pour la transestérification (réservoir grande cuve sur la photo) ;
- une phase de séparation glycérol, biodiésel ;
- en fonction du type de réactif utilisé, une phase de plusieurs lavages pour éliminer l’excès d’alcool et de catalyseur ;
- Et enfin, une phase de séchage, pour éliminer l’eau restante du biodiésel.
Des tests d’expérimentation basés sur ce protocole sont en cours, pour valider le modèle théorique développé.
CONCLUSION
Sur la base des travaux de Noureddini et ceux de Komers, nous avons élaboré un modèle synthétique, permettant de mieux étudier et analyser les paramètres influant dans le phénomène de transestérification. Les simulations faites à partir de ce modèle, montre bien l’influence des différents paramètres, et concordent avec les résultats expérimentaux trouvés dans la littérature. Des tests expérimentaux sont en cours sur notre pilote du laboratoire pour valider le modèle théorique développé, et dégager des perspectives vers d’autres types de réactifs et catalyseurs. Le but étant par la suite, d’étudier la faisabilité d’une production de biodiésel à partir de nos biomasses locales, d’évaluer le coût, et l’éventualité d’une production rentable et à grande échelle dans le contexte de la sous-région.
BIBLIOGRAPHIE
[1] NOUREDDINI H. et ZHU D., Kinetics of Transesterification of Soybean Oil. Journal of the American Oil Chemists Society, Vol. 74, n°11, 1997.
[2] KOMERS K., SKOPAL F., STLOUKAL R. et MACHEK J., Kinetics and mechanism of the KOH - catalyzed methanolysis of rapeseed oil for biodiesel production. European Journal of Lipid Science and Technology, Vol. 104, n°11 : 728-737, 2002.
[3] KOMERS K., STLOUKAL R., MACHEK J., SKOPAL F., Biodiesel from rapeseed oil, methanol and KOH 3.Analysis of composition of actual reaction mixture. European Journal of Lipid Science and Technology, Vol. 103, 363-371, 2001.
[4] BIKOU E. ,LOULOUDI A. et PAPAYANNAKOS N., The Effect of water on transesterification kinetics of cotton seed oil with ethanol. Chemical Engineering and Technology Vol. 22, n°1: 70-75, 1999.
[5] DARNOKO D. et CHERYAN M., Kinetics of palm oil transesterification in a batch reactor. Journal of the American Oil Chemists Society, Vol.77, n°12: 1263-1267, 2000.
